SiC MOSFET 偏置 C-V 曲线：温度研究

* 文章编译仅供参考

由于碳化硅（SiC）具有高热导率和高带隙等优异特性，碳化硅（SiC）MOSFET 正在取代硅（Si）IGBT。尽管这项技术在过去几年取得了显著进步，但仍面临一些挑战。

其中，SiC/SiO2 接口的高密度缺陷会影响器件的整体性能，对阈值电压稳定性、沟道迁移率和漏电流幅度造成不利影响。鉴于表征此类界面的重要性，已有多种技术用于研究与该区域相关的缺陷特性。这些技术最好是非破坏性的，而且耗时少。

大多数方法都利用了在高频和低频下测量电容所产生的信息。虽然这种方法广泛用于 MOS 结构，但却不能用于 MOSFET 结构。这可以通过考虑在反转区域中从 MOS 获得的 C-V 曲线根据所考虑的频率而变化来解释，由于耗尽中的热载流子生成率非常低，反相电荷只能在低频时跟随交流电变化。

另一方面，在 MOSFET 结构中，沟道充满了来自源极和漏极区域的载流子。这意味着反转区的 C-V 曲线在高频和低频时没有差异。因此，在 MOSFET 结构中，实验 C-V 曲线应得到数值分析的支持，以确定所述界面的特征。栅极电容测量通常通过连接漏极和源极来进行，而输入信号则施加到栅极。

在这项工作中，我们利用正偏压漏极进行了非典型 C-V 测量。实验部分是在市售的平面碳化硅 MOSFET 上进行的，结果显示在反转区的栅极电容出现了一个意想不到的尖锐峰值。为了进一步研究产生的电容，还进行了实验温度分析。 实验结果通过Sentaurus TCAD环境中获得的数值模型得到证实。温度分析表明，随着温度的升高，实验结果和数值结果中出现的栅极电容峰值都向低电压方向移动。

01.

实验设置和结果

实验数据通过图 1a 的设置获得，测量栅极和源极之间的电容，同时在漏极 VDS 上施加直流偏压。施加的栅极电压 VGS 为 -10 V 至 10 V，而叠加的交流小信号振幅为 100 mV，频率设定为 100 kHz（图 1b）。施加的 VDS 以 0.1 V 为单位从 0.2 V 扫至 0.8 V，如图 1c 所示。获得的电容曲线如图 2 所示。在这种配置下获得的电容特性与传统 C-V 方法在积累区和耗尽区获得的电容特性相似，而在反转区则有很大不同。如图 2 所示，获得的电容曲线以接近阈值电压的电压为中心，呈现出一个不可忽略的峰值。随着施加的漏极电压的增加，该峰值更加突出。

■ 图 1.a) 使用的实验装置；b) 栅极电压和 c) 测量期间施加的漏极电压

■ 图 2. 商用器件（C2M0160120D）在 VDS 变化时的实验 C-V 曲线

在以前的工作中，我们将这种峰值形状与沟道区的陷阱联系起来，并假定这种现象是由复杂的电场/自由电荷动力学造成的。为了更好地了解陷阱分布及其对栅极电容的影响，对 DUT 进行了温度研究。温度是界面陷阱表征的关键参数，因为陷阱占用对温度变化很敏感。因此，占据的陷阱数量是温度的函数，陷阱浓度可能会随着温度的变化而变化。如果陷阱位于导带或价带边缘附近，这种现象会更加明显。为此，在不同温度值下利用正偏压漏极进行了 C- V 曲线实验。图 3 显示了一个商用器件在 300 K、375 K 和 425 K 温度下的实验结果。可以观察到，随着温度的升高，电容峰值向较低的电压值移动。该结果与阈值电压在较高温度下向较低值的转变一致。图 4 所示的测量是在不同的设备上进行的，温度从 300 K 到 450 K，每 10 K 为一档。这组测量也出现了相同的趋势，证实了之前的结果。

■ 图 3. 在不同温度值下获得的实验 C-V 曲线，VDS = 0.1 V

■ 图 4. 在不同温度值下获得的实验 C-V 曲线，VDS = 0.2 V

02.

数值设置和结果

Sentaurus TCAD 中构建了一个数值框架来仔细复制实验设置。模拟结构如图 5 所示，并进行交流小信号分析以获得电容行为。在数值框架中可以准确地描述结构中的陷阱分布。电容行为受到陷阱的强烈影响，而陷阱在沟道界面上的复杂分布则会对整个器件的阈值电压产生严重影响。当器件的温度发生变化时，这种情况会更加复杂。有几个与温度相关的参数，其中值得一提的是陷阱电子发射速率对温度的强相关性，这在某些情况下（例如短路）会导致临界阈值电压变化。因此，必须高度重视界面陷阱的建模。

在这项研究中，SiC/SiO2 界面的陷阱分布是以 ETC 为中心、宽度为 2ETW 的正方形分布（图 6）来描述的。由于没有对实验数据进行校准，因此认为该分布沿整个 SiC/SiO2 界面是均匀的 。

SiC MOSFET 中存在的陷阱和电荷有多种类型，但主要可分为：位于氧化层的陷阱和位于 SiC/SiO2 界面的陷阱。在氧化层中有固定电荷和可移动离子，而在界面附近有大量被捕获的电荷。陷阱和缺陷占据结构中的不同能级和位置。因此，在高温下它们对电容曲线的影响不同。例如，移动离子电荷具有较大的活化能，在低温条件下，它不会对器件行为产生显著影响。

在本文中，我们研究了在不同温度值下对漏极施加正偏压时，固定电荷和界面陷阱对 C-V 曲线的影响。为每个数值结果选择的陷阱参数在附图标题中进行了描述。所有数值结果均采用 Arora 模型进行迁移率计算，采用 Scharfetter 模型进行寿命计算，而具体 SiC 参数是根据以前的工作选择的。为了准确地描述温度效应，在数值分析中考虑了几种与温度相关的模型。更详细地说，已经考虑了带隙和生成复合过程的温度依赖性以及带隙变窄现象。

■ 图 5. 在 Sentaurus TCAD 中构建的结构（该结构未按比例绘制）

■ 图 6. TCAD 结构的能带图

当漏极和源极之间施加电压 VDS = 1 V 时获得的数值曲线，如图 7 所示。在此图中，曲线是在不同温度值下绘制的，根据图 3 中考虑的实验情况进行选择。可以注意到，数值电容在反转区域中表现出尖峰，而在积累和耗尽区的行为则与漏极和源极之间未施加偏压时的典型电容行为一致。很明显，随着温度升高，峰值会向较低的栅极电压移动。该结果证实了实验数据中发现的行为。此外，该结果与阈值电压随温度升高而降低的结果一致。

■ 图 7. 根据图 4 的结构在不同温度值下获得的数值 C-V 曲线。在沟道区域指定了以下界面陷阱属性：CFIX = 1·10 13 cm -3, CTraps = 5·10 12 cm -3, VDS = 1 V

03.

结论

在这项工作中，我们采用了一种非常规的电容测量方法，即在栅极电压扫描期间，在漏极和源极之间施加直流偏压。所得到的电容与经典的 C-V 曲线不同，在反转区域出现了一个意想不到的尖锐峰值。 该峰与界面陷阱分布有关，其性质可能与界面质量有关。考虑了温度对上述 C-V 曲线的影响。结果发现，随着温度的升高，电容峰值会向较低的栅极电压移动。我们开发了一个 TCAD 模型，使用相同温度值得到的数值结果与实验结果一致。峰值随温度升高而向低电压移动的现象与阈值电压随温度升高而降低的现象相吻合。

* 文章编译仅供参考。

本文来源：

SiC MOSFETs Biased C-V Curves: A Temperature Investigation、芯TIP

本文作者：

Ilaria Matacena, Luca Maresca, Michele Riccio,

Andrea Irace, Giovanni Breglio, Alberto Castellazzi, Santolo Daliento

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